sborník

Transkript

sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 19. května 2006
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Elektrické stroje a pohony
Elektroenergetika a elektronika
FEL, ZČU 2006
Slovo úvodem
Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské
univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se však účastní opět pouze
24 prací, což je oproti dřívějším letům podstatný pokles. Předloni to například
bylo 60 příspěvků. Potěšující je účast několika studentů, kteří nesoutěží se
svými závěrečnými pracemi, bohužel ostatní prezentují výsledky své bakalářské
nebo diplomové práce.
Rád bych poděkoval všem autorům soutěžních prací za příspěvek do této
přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že spolupráce v rámci
odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také chci poděkovat všem
členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez které by nebylo možno
přehlídku uskutečnit.
Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím,
že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných.
Ing. Václav Boček, Ph.D.
organizační garant
Obsah
Sekce Elektrické stroje a pohony
7
Regulace napěťového pulzního usměrňovače při dvouhodnotovém řízení
proudu
8
Vojtěch Blahník - PE 5
Řízení pohonu frézy 1 kW
9
Martin Brašna - +KOE 3
Vektorové řízení momentu asynchonního motoru
10
Marek Cédl - PE 5
Matematický model asynchronního dynamometru
11
Vlastislav Elstner - +PE 2
Program pro komunikaci s digitálním otáčkoměrem CA27
12
Karel Hruška - +PE 1
Univerzální SOFT STARTér pro vícerychlostní motory do 11 kW
13
Vladimír Kindl - KE 4
Implementace řízení napěťového pulzního usměrňovače
14
Tomáš Komrska - PE 5
Měření na asynchronním motoru při napájení z frekvenčního měniče
15
Jakub Landa - +ELE 3
Řídící jednotka pro usměrňovač Simoreg 6RA2233
16
Pavel Plachý - SE 5
Možnosti rozvoje v oblasti elektrické trakce v ČR
17
Jaroslav Sobotka - KE 5
Algoritmy přímého řízení momentu trakčního pohonu s asynchronním
motorem
18
Zdeněk Sutnar - PE 5
Simulace a měření na asynchronním stroji v přechodovém stavu
19
Gabriela Trhlíková - +PE 2
Analýza poruch brzd drážních vozidel
20
Renata Trhlíková - KE 5
Nadřazená řídící a diagnostická jednotka
21
Jan Žák - PE 5
5
Sekce Elektroenergetika a elektronika
23
Automatizace distribuční stanice v Kladrubech
24
Tomáš Bořík - EE 5
Návrh řídicí jednotky testovacího stroje na bázi FPGA a CPU - část CPU
25
Jiří Janáček - ES 5
Metody určování tepelné vodivosti
26
Josef Kreuz - EE 5
Latch vstupních dat LCD panelu
27
Tomáš Skokan - +AEL 3
Řízení mikro-sítí napájených OZE
28
Michal Soukup - EE 5
Tepelné čerpadlo jako zdroj tepla pro vytápění - ano či ne
29
Miloš Spálenka - EE 5
Návrh řídící jednotky testovacího stroje na bázi FPGA a CPU - část FPGA 30
Jan Strnad - SE 5
Možnosti energetického využití paliv vyrobených z biomasy, tříděných
komunálních a průmyslových odpadů
31
Veronika Vernerová - KE 5
Využití skládkového plynu na výrobu elektrické energie
32
Pavel Veselý - EE 5
33
Michal Zach - EE 5
6
Sekce Elektrické stroje a pohony
složení komise
předseda
prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.
členové
doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D.
Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D.
Ing. Jan Molnár
7
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2006
Regulace napěťového pulzního usměrňovače při dvouhodnotovém řízení
proudu
Vojtěch Blahník - PE 5
lektor: Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV
Práce se zabývá problematiku regulace napěťového pulzního usměrňovače (dále NPU)
při dvouhodnotovém řízení proudu. Je celá založená na simulaci modelu tří-fázového
napěťového pulzního usměrňovače napájeného synchronním generátorem s permanentními
magnety o výkonu 100 kW (simulace je součástí práce). Jsou zde rozebrány různé druhy
algoritmů dvouhodnotové regulace proudu a posouzeny jejich výhody. V práci je detailně
rozebráno nastavení regulátoru napětí na výstupu NPU a také co se stane při změně některých
důležitých parametrů výkonového obvodu.
Navrhnul jsem a otestoval čtyři algoritmy dvouhodnotového řízení a vybral jsme
nejvhodnější. Pro tento algoritmus jsme pomocí simulace nastavil PS regulátory napětí na
výstupu NPU a velikost hystereze proudu dvouhodnotového řízení. Detailně jsme popsal
nastavovaní regulátoru napětí na výstupu NPU a dějů s tím spojených. Poslední část práce se
věnuje zkušebnímu prototypu napájenému ze sítě 3 x 400 V / 50 Hz na kterém se v laboratoři
ozkouší vlastnosti regulace NPU.
Hlavní přínos práce:
- Realizace simulačního modelu 3f napěťového pulzního usměrňovače.
- Analýza a souhrn regulačních algoritmů dvouhodnotové regulace.
- Detailní popis nastavení regulátoru napětí na výstupu NPU s ohledem na
symetričnost proudů zdroje.
- Citlivostní analýza změn parametrů výkonového obvodu NPU a ukázka chování
napěťového pulzního usměrňovače při těchto změnách.
- Podklady pro laboratorní prototyp na kterém budou výsledky práce ověřeny.
Regulační schéma 3-fázového napěťového
pulzního usměrňovače
Průběh proudu odebíraného ze zdroje
s mezemi regulace dvouhodnotového řízení
8
Řízení pohonu frézy 1 kW
Martin Brašna - +KOE 3
lektor: doc. Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Práce má za úkol navrhnout jednoduchý pohon frézy ovládaný pomocí počítače, který
by dokázal načítat výkresy z grafického programu AutoCAD, zpracovat je a vyslat správné
řídící signály pro motorky tak, aby obrazec, který se vyfrézuje, odpovídal předloze.
K ovládání pohonu jsou použity tři krokové motorky z disketových mechanik 5¼ (osy x,
y, z).
Součástí návrhu je:
1) program pro načtení a analyzování výkresu, jeho převedení na potřebné informace a jejich
následné vyslání na jedno z rozhraní počítače
2) obvod zařizující zpracování informací na signály ovládající motorky pohonu.
Ad 1) Hlavní program je v jazyce Visual Basic a jeho přídavný modul pro posílání dat
na rozhraní v QuickBasicu (to proto, že novější systémy NT pracují v tzv. chráněném režimu,
který dovolí přístup na port jenom programům, které pracují v tzv. kernel módu – např.
programy pro DOS (QuickBasic)). Soubory vytvořené v AutoCADu musí být uloženy ve
speciálním formátu HPGL (Hewlett Packard Graphics Language). To je jazyk, vyvinutý
firmou Hewlett Packard pro ovládání svých plotterů. Tento typ souboru nelze v AutoCADu
vytvořit jinak, než zvolit tisk do souboru a jako tiskárnu zvolit jakýkoliv plotter výše zmíněné
firmy. Program si pak výkres uloží do paměti, převede ho do posloupnosti ovládacích bitů pro
jednotlivé motorky a uloží do souboru. Ten pak zpracovává již zmíněný přídavný modul a
data posílá na rozhraní PC.
Jako rozhraní byl zvolen port LPT (IEEE 1284), kterým je možno posílat paralelně
8 bitů najednou. K ovládání motorků je potřeba pouze šesti bitů a jedním bitem se spíná
motor frézy. Jeden bit tedy zůstává nevyužit.
Ad 2) Ovládací obvod má za úkol převzít data z LPT portu a zpracovat je na žádoucí
signály, které dokáží řídit motorky.
Obr. Blokové schéma návrhu pohonu
Vstupní obvod odděluje PC od zbytku přístroje, neboť LPT port nemá téměř žádnou
ochranu před zkraty a přepětími a mohl by se lehce zničit. Ovládací obvody jsou
nejdůležitější částí schématu. Dle přicházejících bitů přepínají polaritu na cívkách motorků a
tím je ovládají. Spínací obvod má za úkol po přivedení logické 1 zapnout frézu. Vše je
napájeno zdrojem napětí +5 a +12 V. Napětí 5 V je použito na logickou část obvodů a 12 V
napájí motorky. Takto vyrobený pohon je již odzkoušen a pracuje bez problémů.
9
Vektorové řízení momentu asynchonního motoru
Marek Cédl - PE 5
Jednou z možností jak řídit dynamicky náročné pohony s asynchronním motorem je
aplikace vektorového řízení. Pomocí něj lze dosáhnout rychlou regulaci momentu, a to i
během přechodových dějů. Cílem vektorového řízení je získat možnost nezávisle řídit tok a
moment a dosáhnout tak obdobného chování jako u cize buzeného stejnosměrného stroje.
Předmětem této práce je vývoj jedné z variant vektorového řízení asynchronního
motoru, orientované na statorový tok. Jednotlivé bloky regulační struktury jsou detailně
popsány a začleněny do simulačního prostředí - regulátory, matematický model motoru,
omezovač momentu, PWM, odbuzovací struktura.
Podařilo se úspěšně zpracovat tuto variantu vektorového řízení. Simulačně byla ověřena
její funkčnost a schopnost regulovat hlavní veličiny motoru – magnetický tok statoru
a moment motoru. Byl implementován a nastaven nadřazený regulátor otáček motoru,
dosáhne se pomocí něj rychlých odezev bez přeregulování. Odbuzovací struktura zvládá při
přechodu do vyšších otáček než jsou jmenovité včas a v dostatečné míře snížit tok motoru.
Proudový model motoru pracuje se zanedbatelnou odchylkou i ve vysokých otáčkách.
- zrealizování řídící struktury pro regulaci asynchronního motoru
- nastavení a ověření funkčnosti celého řízení pro konkrétní typ motoru
- popis a princip funkce jednotlivých bloků simulace
- implementace vhodné odbuzovací struktury pro provozování motoru ve vysokých otáčkách
Zjednodušené regulační schéma, přechodový jev – změna otáček
10
Matematický model asynchronního dynamometru
Vlastislav Elstner - +PE 2
Matematické modelování elektrických strojů a pohonů má za úkol co nejdokonaleji
popisovat chování elektrických a mechanických veličin stroje, při jeho spouštění, provozu,
brždění, ale i ve stavech poruchových.
Hlavní výhodou matematického modelu je možnost studie stroje v přechodných stavech,
které mohou být pro stroj, jeho napájecí zařízení a hnané zařízení nebezpečné. Tyto
přechodné stavy lze jen těžko a pouze přibližně studovat pomocí analytického výpočtu, proto
se v minulosti k jejich zjišťování muselo provádět měření přímo na skutečných strojích.
Matematické modelování má v tomto směru řadu výhod. Je nedestruktivní. Umožňuje
studovat i extrémní stavy zařízení, které by při měření a zkouškách na skutečném zařízení
vedly k jeho možné destrukci. Vlastní stroj ještě nemusí existovat a již je možné, z jeho
navrhovaných parametrů, znát předem jeho vlastnosti a charakteristiky a to i dynamické.
Tato práce má za cíl vytvořit matematický model asynchronního dynamometru, ověřit a
konfrontovat výsledky matematického modelu se skutečnými naměřenými veličinami.
Zkoumaný dynamometr vznikl přestavbou sériově vyráběného asynchronního motoru
s klecovou kotvou typu Sg 112M – 4. K tomuto stroji je pomocí kardanové hřídele připojen
další asynchronní stroj s klecovou kotvou, nižšího výkonu, typu SSg 100L – 4B. Náčrt
soustrojí je na obr. 1.
Rovnice matematického modelu
di
di
U sα = Rs ⋅ i sα + Ls ⋅ sα + Lh ⋅ rα
dt
dt
di sβ
dirβ
U sβ = Rs ⋅ i sβ + Ls ⋅
+ Lh ⋅
dt
dt
dirα
disα
0 = Rr ⋅ irα + Lr ⋅
+ Lh ⋅
+ p⋅ωmech⋅ (Lr ⋅ irβ + Lh ⋅ isβ )
dt
dt
dirβ
disβ
0 = Rr ⋅ irβ + Lr ⋅
+ Lh ⋅
− p⋅ωmech⋅ (Lr ⋅ irα + Lh ⋅ isα )
dt
dt
3
M elmag = p ⋅ Lh ⋅ i sβ ⋅ irα − i sα ⋅ irβ
2
JS d 2x
dx
M = k ⋅x⋅r + B⋅ ⋅r +
⋅
dt
r dt 2
[
obr. 1. náčrt soustrojí a dynamometru
]
Matematický model zahrnuje nejen elektrické veličiny a veličiny mechanické na hřídeli
dynamometru, ale i mechanické veličiny na statoru stroje.
K zachycení momentu statoru stroje slouží u zkoumaného dynamometru pružiny, jejichž
prodloužení vlivem točivého momentu je hlavním cílem sledování modelu i měření.
Nedílnou a důležitou součástí práce je identifikace elektrických a mechanických
parametrů stroje, které slouží jako konstanty a vstupní veličiny pro matematický model.
Zvláštní pozornost byla věnována stanovení momentu setrvačnosti jednotlivých částí stroje a
přídavných součástí dotvářejících výsledný moment setrvačnosti stroje.
Práce má přinést měřením verifikovaný popis chování stroje ve třech vybraných
provozních stavech. Jde o spuštění stroje sníženým napětím, chod stroje jako motoru a chod
stroje jako generátoru. Pro dosažení co nejpřesnějších výsledků jsou modely jednotlivých
stavů naladěny tak, aby co nejvěrněji kopírovali podmínky při skutečném měření.
11
Program pro komunikaci s digitálním otáčkoměrem CA27
Karel Hruška - +PE 1
Program CA27 byl vytvořen pro ovládání a čtení hodnot z digitálního bezkontaktního
otáčkoměru značky Chauvin-Arnoux, typ CA27. Původní program, dodávaný firmou
Chauvin-Arnoux byl vyvinut pouze pro prostředí MS-DOS, což limituje jeho použití i
možnosti. Nový program CA27 byl vyvinut v programovém prostředí program Matlab 7 (se
zpětnou kompatibilitou s programem Matlab 6.5).
Díky možnostem programovacího prostředí Matlab bylo možno programu CA27
vytvořit grafické uživatelské rozhraní, které napomáhá rychlejšímu ovládání programu a
celkově zlepšuje jeho přehlednost. Další výhodou prostředí Matlab 6.5/7.0 je možnost
nasazení programů, v něm vytvořených, na alternativních platformách. Využití programu tedy
není omezeno pouze na počítače, používající jako operační systém Microsoft Windows, ale
program lze využít i na počítačích provozovaných na platformách jako Linux, či MacOS.
Program CA27 byl navržen pro zpracovávání dat, která obdrží od otáčkoměru CA27.
Obdržená data program průběžně zobrazuje na stavovém řádku aplikace v číselné podobě,
dále je schopen je graficky vykreslovat a zapisovat do souboru.
Při zobrazování dat na stavové řádce a při zápisu do souboru je zobrazeno pořadové
číslo hodnoty, která byla otáčkoměrem vyslána, vlastní hodnota (v upravené podobě
s desetinnou tečkou) a jednotky, ve kterých měření probíhalo. Hlavní okno programu viz
obr. 1.
Grafické zobrazení hodnot je realizováno do grafu, který tvoří většinu plochy GUI
programu. Naměřené hodnoty lze zobrazovat během měření (je možno zvolit počet v jeden
okamžik zobrazovaných hodnot), či na konci měření. Obě možnosti lze použít zároveň a tedy
nechat vykreslovat během měření požadovaný počet hodnot a na konci měření získat graf
z celého měření. Během měření je možné kdykoliv uložit okamžitý stav grafu do souboru ve
formátu TIFF.
hlavní menu
průběh měřené
hodnoty
stavový řádek
Obr. 1: Grafické uživatelské rozhraní programu CA27
tlačítko ovládání
měření
Program CA27 je v současné době vytvořen ve verzi 2.1, která umožňuje při startu
programu volbu prostředí, pod kterým je program CA27 spouštěn (Matlab 6.5 nebo 7.0).
Důvodem je omezená vzájemná kompatibilita programů psaných v těchto programech. Bližší
informace o programu jsou součástí nápovědy.
12
Univerzální SOFT STARTér pro vícerychlostní motory do 11 kW
Vladimír Kindl - KE 4
Trojfázový motor je v současnosti naprosto základní koncepcí pohonů. Přitom přímé
spouštění těchto motorů nebo také spouštění hvězda – trojúhelník není v mnoha případech tím
nejlepším řešením. Běžným jevem jsou nepříjemné vedlejší účinky takového způsobu
spouštění - mechanické rázy nebo poklesy napětí v síti vlivem velkého záběrného proudu.
Prokluzování řemenových převodů nebo nárazové zvýšení tlaku vody dodávané čerpadlem –
to jsou jen dva z mnoha problémů, které mohou vzniknout při přímém připojení
asynchronních motorů na síť.
Uvedené potíže lehkých rozběhů lze řešit použitím SOFT-STARTu. Výrobce
SIEMENS je pro 3f motory vyrábí pod označením SIRIUS 3RW až do výkonu 55 kW. Tento
modul je určen pro montáž do rozvaděče, což ale pro laboratorní použití není výhodné. Proto
bylo mým cílem zhotovit spouštěcí jednotku univerzálně použitelnou a snadno přenositelnou.
Koncepce zařízení je jednoduchá. Skládá se ze softstartéru, dvou stykačů a 3f jističe. Vše je
implementováno do skříně (od PC), což umožňuje snadnou přenositelnost a manipulaci.
Modul SOFT STARTu jsem použil pro výkon do 11kW při 400 V. Protože se
v laboratoři vyskytují asynchronní motory různého počtu pólů (od 2 do 8), byl použit SOFT
START se dvěma rozběhovými rampami. Jedna je pro rychloběžné stroje, druhá pro
pomaluběžné. Volba rampy se řídí výběrem tlačítka na panelu skříně.
K obsluze slouží soustava tlačítek umístěných přímo na skříni. Lze si vybrat ze dvou
možných nastavených časů spuštění motoru. Při rozběhu je proud motoru řízen spínáním ve
dvou fázích a je udržován na nízkých hodnotách, čímž se zamezí vzniku proudových špiček.
Plynulý rozběh i doběh napěťovou rampou umožňuje náběh i doběh napětí od 40% do 100%
svojí jmenovité hodnoty v čase 0 až 20 s. K nastavení těchto časů nám slouží tři
potenciometry, které jsou součástí soft startéru.
Tlačítkem STOP se zařízení po doběhu odpojí od sítě a motor zastaví. Zařazení stykačů
není sice bezpodmínečně nutné, protože stroj se zastaví i zavřením tyristorů ve dvou fázích,
ale jedna fáze je stále připojena k síti. Uživatel by mohl lehce získat dojem „odpojeného
motoru“ a při manipulaci na přívodu utrpět úraz el. proudem od nespínané (trvale připojené)
fáze. Stykače proto zajišťují spolehlivé galvanické odpojení od sítě.
Montáž SOFT STARTu, stykačů a jističe na mother-board PC.
13
Implementace řízení napěťového pulzního usměrňovače
Tomáš Komrska - PE 5
Předmětem práce je implementace řízení napěťového pulzního usměrňovače pomocí
digitálního signálového procesoru v třífázové variantě. Řízení má za úkol zajistit dodávku
stejnosměrného napětí na výstupu měniče při odběru harmonického proudu z napájecí sítě.
Postup při řešení úlohy
Jako způsob řízení byla zvolena dvouhodnotová regulace proudu. Nejprve byl vytvořen
návrh regulační struktury, dále návrh regulačních a řídících algoritmů. Vytvořené regulační
algoritmy byly převedeny do aritmetiky pevné řádové čárky a přeneseny na digitální
signálový procesor. Celá soustava byla realizována v podobě laboratorního prototypu.
Proběhlo testování regulátorů proudu v režimu pulzního měniče a v režimu střídače, poté
synchronizace výpočtu požadovaných proudů s fázovými napětími napájecí sítě. Nakonec byl
otestován režim pulzního usměrňovače.
Hlavní přínosy práce
Realizace regulačních a řídících algoritmů v aritmetice pevné řádové čárky a jejich
implementace pomocí digitálního signálového procesoru. Realizace dvouhodnotové regulace
proudu v třífázové variantě, vyhodnocování polohy vektoru napájecího napětí a
synchronizace regulačních algoritmů s napájecí sítí. Implementace vysoce efektivního řízení
napěťového pulzního usměrňovače zajištujícího odběr harmonického proudu z napájecí sítě
s účiníkem cosφui→1.
Synchronizace s napájecí sítí
Dvouhodnotová regulace proudu
14
Měření na asynchronním motoru při napájení z frekvenčního měniče
Jakub Landa - +ELE 3
V současné době je nejpoužívanějším pohonem asynchronní motor, stále častěji
napájený z frekvenčního měniče. V době požadavku na co nejčistší sinusový odběr je velice
zajímavá otázka, jaký na to má vliv frekvenční měnič, případně jakými dalšími vlivy působí
na okolí.
Při provozu je měnič zdrojem rušení, jak na straně sítě, tak na straně motoru. Rušivé
vlivy na napájecí síť jsou hlavně způsobeny odebíráním nesinusových proudů. Měnič působí
na své okolí:
• nízkofrekvenčním rušením v napájecím vedení, které musí být z důvodu co nejvíce
blížícím se sinusovým odběrům omezováno téměř vždy. – Na potlačení tohoto rušení se
používají vstupní tlumivky zapojené ve stejnosměrném obvodu, nebo na vstupu měniče.
• vysokofrekvenčním rušením na vstupu i na výstupu, které může mít za následek např.
rádiové, nebo televizní rušení, případně rušení HDO. – Na odstranění lze použít filtr na
rádiové rušení, nebo stíněné silové kabely.
K odstranění vysoko a nízkofrekvenčního rušení se nejčastěji používají vstupní filtry, které
mají za úkol potlačovat vyšší harmonické a také omezují krátkodobé napěťové špičky.
Výsledkem bývá snížení zkreslení proudu přibližně na 40 %.
Obsah vyšších harmonických napětí při plném výkonu
Obsah vyšších harmonických proudu při plném výkonu
1000
100
10
I [A]
U [V]
100
1
10
0,1
1
0,01
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
1
2
3
4
5
6
harmonické
ze sítě bez FM
před filtrem
před měničem
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
harmonické
před motorem
ze sítě bez FM
•
před filtrem
před měničem
před motorem
snížením životnosti izolace, zejména na prvních závitech v motoru. – U nových motorů je
zesílena izolace a u starších motorů musí být použit filtr. Sinusový filtr omezí vysokou
strmost napájecích impulsů a přepěťových špiček.
• zvýšením vlivu nabíjecích proudů způsobených kapacitami napájecího kabelu, které je
ještě zvýšeno použitím stíněného kabelu. – Je nutné použít kabel s co nejnižší svodovou
kapacitou.
• vznikem vyrovnávacích ložiskových proudů, které se objevují jako důsledek nesymetrie
ve stroji. – Dají se potlačit konstrukčními úpravami především magnetického obvodu a
ložiskového uzlu stroje a zajištěním symetrie nejen ve stoji, ale i v napájení použitím
symetrického kabelu.
• vysokou frekvencí, kvůli které se může vlivem skinefektu i na kvalitně uzemněném stroji
objevit napětí na kostře motoru. – Toto lze odstranit nízkoimpedančním zemněním, které
je však ve velkých prostorách téměř nereálné.
Řada vlivů se na počátku zavádění frekvenčních měničů nevěděla. Byla zjištěna až
v provozu, vznikem poruch, které většinou nebyly laciného charakteru, a až následně začalo
pracné zjišťování příčiny poruchy. Ne vždy se musí projevit všechny zde uvedené vlivy, ale je
vhodné již při samotném návrhu zařízení brát na ně zřetel a snažit se je co nejvíce eliminovat.
15
Řídící jednotka pro usměrňovač Simoreg 6RA2233
Pavel Plachý - SE 5
Tato studentská práce popisuje návrh a konstrukci modulu vhodného pro napájení,
řízení a ovládání čtyřkvadrantového usměrňovače Simoreg 6RA2233 od firmy Siemens.
Zařízení je určeno pro regulaci otáček stejnosměrného stroje. Záměrem této práce je umožnit
chod a řízení turbosoustrojí s ohledem na moderní trendy řízení elektrických pohonů. Modul
je navrhnut jako samostatná jednotka, tudíž není vázán na další zařízení, bez nichž by nebyl
provoz možný. Skládá se z ocelového rámu, vlastního měniče a dalšího přístrojového
vybavení.
Pro správné zavedení zpětné otáčkové vazby je zde zkonstruován převodník frekvence /
napětí. Převodník má v sobě zahrnuty další logické obvody sloužící k ochraně připojeného
elektrického stroje (soustrojí). Jde o hlídání meze maximálních otáček. Další obvod slouží
k bezpečnému zastavení pohonu v případě překročení max. otáček.
Na závěr jsou provedeny zkoušky modulu při napájení náhradní zátěže a následně i
skutečné zátěže.
Modul bude v budoucnu součástí laboratoře a pro širší využití je koncipován jako
mobilní. Takovéto řešení umožňuje jeho využití i v jiných aplikacích, než pro kterou je
momentálně určen. Všechny součásti, skrze které je měnič schopen funkce, jsou umístěny ve
stejném rámu jako samotný měnič. Modul tak představuje samostatnou kompaktní jednotku
schopnou provozu bez dalších vnějších přístrojů či řídících prvků. Obsluha řídí měnič přímo
přes ovládací prvky umístěné na čelním panelu modulu.
Zvolená konstrukce modulu se ukázala jako velice výhodná s ohledem na různorodost
možných praktických využití v laboratoři. Modul je vhodný pro napájení stejnosměrného
stroje např. pro fázování synchronního generátoru na síť, zatěžování generátoru na síti apod.
S modulem mohou pracovat přímo studenti, jeho ovládání je jednoduché a případné chyby
v obsluze nemůžou způsobit závažné poruchy.
16
Možnosti rozvoje v oblasti elektrické trakce v ČR
Jaroslav Sobotka - KE 5
lektor: Ing. Roman Hamar, Ph.D. - KTE
Rozvoj vysokorychlostní železnice na území České republiky nemá dlouholetou tradici.
První studie vysokorychlostních souprav se začínají objevovat kolem roku 1989.
S vyhledávacími studiemi byly stanoveny 4 vysokorychlostní koridory na území ČR. Bohužel
pro nedostatek financí byly tyto studie odloženy na dobu neurčitou. V dopravní politice pro
rok 2005 – 2013 je s výstavbou vysokorychlostní železnice v ČR počítáno ke konci roku
2013. Výstavba vysokorychlostní dráhy na našem území je v nedohlednu. Současný rozvoj
českých železnic spočívá v tzv. modernizaci železničních koridorů včetně sdělovacího a
zabezpečovacího zařízení. Cílem této modernizace, která stojí zhruba 100 miliónů korun na 1
km trati (tato cena není nekonečná vzhledem k neustálému růstu cen pozemků a nemovitostí),
je přiblížení českých železničních koridorů na evropskou úroveň. Se zahájením modernizace
nakoupily České dráhy 7 „vysokorychlostních“ jednotek vycházejících z velmi oblíbeného
italského Pendolina ETR 470. Tyto jednotky dokázali za svou krátkou dobu v ČR překonat
rychlostní rekord na českých železnicích hodnotou 237,04 km/h. Bohužel podle platné
legislativy je jejich rychlost omezena na 160 km/h. V současné dochází ke změně legislativy,
která by umožňovala jezdit Pendolinům řady 680 rychlostí do 200 km/h. Myslíte si, že tento
rozvoj českých železnic v oblasti vysokorychlostní železnice je v současnosti správný?
Cílem současných železnic je snaha dosahovat na tratích vyšších rychlostí za
požadovaného jízdního komfortu. Každý z nás zná toto přísloví, které říká, že: „Čas jsou
peníze“. Věřím tomu, že každý se dostal v životě do situace, kdy čas znamenal pro něj
mnoho. Nákupem naklápěcích jednotek Pendolin se sice ČD přiblížily na evropskou úroveň
vysokorychlostních železnic, ale cestovní rychlost 160 km/h nepřináší v současnosti větší
úsporu času oproti stávající rychlovlakům. Naproti tomu cestovní rychlost 250 km/h u VRT
lze považovat v současnosti u řady evropských států za samozřejmost.
Během několika posledních let se začínají čím dál víc prosazovat nekonvenční jednotky
pracující na principu elektromagnetické levitace (též EML), které dosahují dosud nevídaných
rychlostí. Tyto jednotky dokážou bez problémů dosáhnout na svých speciálních tratích
rychlosti 450 km/h. K prvnímu komerčnímu využití magneticky levitujících jednotek (též
maglevu) došlo v prosinci roku 2003 v Šanghaji, kdy na trati v čínském Pudongu začal jezdit
Transrapid SMT. K druhému nasazení maglevů by mělo dojít zhruba za 2 roky v Mnichově
při spojení nádraží s letištěm.
Systém EML se zdá být velmi perspektivní záležitostí v oblasti vysokorychlostní
železnice. Nevýhodou projektů magnetických drah je jejich vysoká pořizovací cena, která činí
1,2 miliard korun na 1 km trati. Důvodem astronomických nákladů je složitost výstavby
speciální trati (nikoliv systému). Tato cena je 2,5x vyšší než současná cena 1 km
vysokorychlostní trati. Soupravy maglevu jsou též podstatně dražší. Cena 1 jednotky
Transrapidu 08 v pětivozové konfiguraci s kapacitou 450 míst k sezení je 4x vyšší než
současná cena vysokorychlostní jednotky ICE 3 stejné konfigurace. Na území České
republiky přichází v úvahu výstavba magnetické dráhy jako mezinárodní spoj. Tímto spojem
by bylo možné například překonávat vzdálenost z Prahy do Brna za pouhých 40 minut. Mezi
velké výhody výstavby magnetické dráhy na našem území patří napojení České republiky na
významná města západoevropských států a možnost každodenního využívání magnetické
dráhy při cestě do zaměstnání. Mezi další výhody maglevů patří jejich bezpečnost a šetrnost
vůči životnímu prostředí. Výstavba magnetické dráhy na našem území by přinesla i řadu
nových pracovních příležitostí.
Je jen na nás, zda dáme přednost vědě a technice před penězi, které brzdí řadu
geniálních projektů v rozvoji.
17
Algoritmy přímého řízení momentu trakčního pohonu s asynchronním
motorem
Zdeněk Sutnar - PE 5
Práce byla zaměřena zejména na řešení problematiky nulových a malých otáček a také
odbuzování. Pro správnou činnost přímého řízení momentu (DTC) jsme vyvinuli speciální
regulační strukturu. Dokázali jsme, že metoda DTC může v oblasti nulových a malých otáček
fungovat bez problémů.
Nevýhodou DTC je potřeba rychlého mikropočítače, protože tato metoda je velmi
náročná na rychlost výpočtů a také závislost spínací frekvence na velikosti hysterezního
pásma regulátorů momentu a toku.
Simulaci jsme prováděli diskrétně s krokem 1 µs. Použili jsme diskrétní PI regulátory
se vzorkovací periodou 25 µs. Při simulacích jsme na vstupu uvažovali vstupní LC filtr.
Zabývali jsme se také problematikou úbytků napětí a problematikou mrtvých časů.
Hlavní přínos práce
• Modifikace algoritmu přímého řízení momentu pro oblast nulových a malých otáček
• Dokázání správné činnosti v malých a nulových otáčkách
• Porovnání několika variant odbuzování a realizace odbuzování pomocí varianty, jejíž
velkou výhodou je, že se nemusí měřit napětí na kondenzátoru. U této varianty jsme se
zabývali nastavením vstupních filtrů a regulátoru
• Provedení analýzy spínací frekvence a zvlnění statorového toku u regulátoru
maximálního proudu
Graf 1 Obecný regulační průběh
Graf 2 Porovnání variant odbuzení
18
Simulace a měření na asynchronním stroji v přechodovém stavu
Gabriela Trhlíková - +PE 2
Úkolem této práce bylo měření, simulace (modelování) a verifikace přechodového stavu
asynchronního stroje. Jako přechodový děj byl vybrán rozběh asynchronního stroje. Při
rozběhu byly zaznamenávány hodnoty, které lze porovnat s vypočtenými hodnotami
z matematického modelu.
Matematický model přechodového děje je zpracován v prostředí Simulink
programového balíku MATLAB a v programu Dynast, kde model zahrnoval i nelinearitu
mag. obvodu. Oba programy umožňují dynamické řešení soustavy diferenciálních rovnic.
Matematickému modelu je potřeba dodat základní parametry modelovaného stroje tj.
parametry náhradního schématu tohoto stroje. Tyto parametry se získají díky měření
naprázdno a nakrátko na skutečném stroji a jeho vyhodnocením. Vyhodnocení měření
naprázdno a nakrátko jsou provedena pomocí programu MATLAB. Z těchto měření se určí
ztráty stroje pro jmenovité (štítkové) hodnoty a tyto jsou dalším programem (algoritmem)
přepočteny na parametry náhradního schématu, které vkládáme do matematického modelu
jako stacionární (neměnné).
Stacionární parametry modelu se doplní parametry napájecího napětí a kmitočtu. Lze
také zvolit zda se stroj bude rozbíhat naprázdno nebo do zatížení. Zvolen byl rozběh stroje
bez zatížení (protože toto měření je snadno proveditelné), stroj je tedy zatížen pouze
mechanickými a přídavnými ztrátami. Rozběh je modelován pro motor MEZ (Mohelnice, typ:
OR67B-4, 12 kW, 1440 ot/min, D 380V, 25A). Porovnání vypočtených a naměřených
průběhů je na obrázku 1.
Obr.1: Porovnání naměřených a modelovaných hodnot pro motor MEZ
Protože měřené soustrojí nemá snímač momentu, lze porovnat pouze průběh otáček
nebo velikost odebíraného proudu. Případně lze také porovnávat dobu rozběhu. Oba modely
vykazují podobnost s průběhy naměřenými na reálném stroji. Jsou znatelné rozdíly v době
rozběhu a rozdílné překmity jak u průběhů otáček, tak i v průbězích momentů. Tyto rozdíly
lze přisuzovat nepřesně určené setrvačnosti, mechanickým ztrátám stroje nebo přídavným
ztrátám a v neposlední řadě mohou být způsobeny chybou měření. Další možností je
nepřesnost matematického modelu, tj. nezahrnutí všech faktorů ovlivňující chování stroje.
19
Analýza poruch brzd drážních vozidel
Renata Trhlíková - KE 5
lektor: Ing. Václav Boček, Ph.D. - KET
Pro každý dopravní prostředek jsou jednou z nejdůležitějších částí brzdy. Správná funkce
brzd je základním kamenem bezpečnosti provozu. Každý výrobce velmi dbá na konstrukci
brzdových zařízení. Ta by měla především zajišťovat snadnou kontrolu a obsluhu. Je velice
důležité, aby byla brzda během svého provozu nejen korektně používána, ale také pravidelně
kontrolována.
Firma DAKO, a.s. Třemošnice je výrobcem brzdových zařízení. Tato zařízení dodává
mimo jiné i do ČD Depa kolejových vozidel Plzeň (dále jen ČD DKV). Firma DAKO
zaručuje bezporuchový provoz svých výrobků v případě správného používání a pravidelných
kontrol. ČD DKV provádí na brzdových zařízeních jak pravidelné kontroly, tak i kontroly
v případě zjištění závady.
Hlavní činný přístroj brzdy je rozvaděč. Rozvaděče se všeobecně rozdělují do dvou
skupin a vyrábí se v mnoha typech. Typem rozvaděče je určeno, na kterých vozech se smí
použít nebo zda se jedná o lokomotivní rozvaděč.
Jednotlivé zkoušky prováděné na rozvaděčích vyjadřují převážně závislost tlaku na čase.
Zatímco čas je klasicky vyjadřován v sekundách, tlak je podle mezinárodní dohody uváděn
v barech. Jeden bar odpovídá 105 Pascalu. Zkoušené přístroje jsou spojeny s univerzální
měřicí ústřednou (dále jen UMÚ). UMÚ pracuje s programem, který byl speciálně vytvořen
pro potřeby ČD DKV. Tento program graficky zaznamenává jednotlivá měření a po dobu 30
dní je také ukládá. Po uplynutí této doby jsou data nenávratně ztracena. Pokud mají být data
přístupná i po delší době, musí být uložena na jiné datové medium. ČD DKV v současné době
ukládá jen taková měření, kdy byl rozvaděč zcela opraven. Tyto údaje slouží ČD DKV jako
důkazný materiál v případě nehody vlaku. Měření před opravou rozvaděče jsou pouze
informativní. Pracovníci tak zjistí, na co se mají během opravy zaměřit. Poté, co je rozvaděč
opraven, znovu je opět přeměřen. Až v případě, kdy jsou všechny veličiny v dovolených
mezích, se rozvaděč vrátí zpět do provozu.
Úkolem této práce bylo však analyzovat data před opravou rozvaděčů. Z těchto dat by
bylo možné zjistit četnost jednotlivých poruch, dobu mezi jednotlivými poruchami, zda
souvisí konstrukce rozvaděče s výskytem některé z poruch. Bylo by také zajímavé určit
životnost rozvaděče.
Potřebné hodnoty však nebyly k dispozici. Pracovníci ČD DKV mi po dobu čtyř měsíců
ukládali měření před opravou. Stávající program však měřené hodnoty rovnou převádí do
grafické podoby. S čísly pracovat neumí. Konkrétní hodnoty se musí vyčíst z jednotlivých
grafů. Pro potřeby ČD DKV je toto postačující, pro zpracování dat je to však nepraktické.
Ke zpracování jsem dostala přibližně sedmdesát měření. V nich se objevila většina typů
rozvaděčů. Sledované období bylo však příliš krátké, čili získané výsledky nemohou být
považovány za směrodatné.
Aby bylo v budoucnu možné analýzu provést znovu, tentokrát již s dostatečným
množstvím dat, vytvořila jsem databázi, která bude ukládat číselné výsledky zkušebních
měření. Tato databáze je vytvořená v programu MS Excel. Ukládá naměřené hodnoty spolu
s výrobním číslem, typem rozvaděče, datumu měření a se jménem pracovníka, který rozvaděč
přeměřoval. Bude také možné na základě výrobního čísla určit, kolikrát se rozvaděč ve
sledované době v ČD DKV objevil. S pomocí přehledných grafů se také velmi snadno určí
četnost výskytu jednotlivých typů rozvaděčů.
Databáze je připravená pro 30 000 měření, ale v případě potřeby je možné kapacitu
zvětšit. Výsledky analýzy mohou pomoci ke snížení počtu poruch brzdových zařízení, a tím
zvýšit bezpečnost železniční dopravy.
20
Nadřazená řídící a diagnostická jednotka
Jan Žák - PE 5
Tato práce se zabývá návrhem nadřazených řídících jednotek pro komunikaci
s digitálním signálovým procesorem (DSP). Pro vývoj takovýchto aplikací bylo vybráno
velice moderní vývojové prostředí a to LabView od firmy National Instruments. Jako základ
nadřazených jednotek byl vytvořen komunikační protokol, přes který probíhá předávání dat.
Komunikace mezi nadřazeným systémem (PC) a řídící soustavou (DSP) probíhá přes virtuální
sériový port, vlastní komunikace hardwarově probíhá přes rozhranní USB.
Na tomto jádře byly vytvořeny dvě nadřazené jednotky. První slouží k ovládání jednofázového proudového pulzního usměrňovače a druhá slouží k řízení laboratorního modelu
trakčního pohonu. Z důvodu úspory plochy byly jednotlivé ovládací a informační prvky u
těchto jednotek umístěny do několika základních karet. Tyto aplikace umožňují nejen řízení,
ale i zpětnou diagnostiku a vyhodnocovaní vybraných veličin v reálném čase. Samozřejmostí
je možnost ukládání naměřených dat do souboru, popřípadě možnost exportu zobrazovaných
průběhů.
• vybrání vhodného software pro tvorbu takovýchto aplikací
• provedení definice a implementace nového komunikačního protokolu pro bezpečné
předávání dat
• realizace nadřazené jednotky pro 1-fázový proudový pulzní usměrňovač
• realizace nadřazené jednotky pro laboratorní model trakčního pohonu
• experimentální ověření vyvinutých jednotek na laboratorních prototypech pohonů
• vyvinuté jednotky umožňují zobrazení vybraných veličin v závislosti na reálném čase
• byl položen základ pro strukturu, kterou lze po malých úpravách zdrojového kódu
využít na neomezenou skupinu aplikací vyvíjených na katedře
Obrázek: Grafické zobrazení naměřených dat
21
22
Sekce Elektroenergetika a elektronika
složení komise
předseda
doc. Ing. Jiřina Mertlová, CSc.
členové
doc. Ing. Milan Štork, CSc.
Ing. Lucie Noháčová, Ph.D.
Ing. Martin Poupa, Ph.D.
23
Automatizace distribuční stanice v Kladrubech
Tomáš Bořík - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Elektrická energie je stále nejušlechtilejší formou energie jakou jsme schopni vyrobit.
Dá se poměrně snadno přenášet na poměrně dlouhé vzdálenosti prakticky bez dopadu na
životní prostředí. Pomáhá nám zvyšovat životní úroveň a je tedy velmi důležité klást důraz na
její kvalitu a spolehlivost její dodávky.
Spolehlivost dodávky je úzce vázána na přenosovou schopnost a spolehlivost
elektrizační soustavy. Vzhledem k způsobu provozu sítí jsou nejčastější příčinnou přerušení
dodávky elektrické energie pro koncového spotřebitele poruchy v distribuční síti. Ekonomické
dopady těchto výpadků lze minimalizovat dvěma způsoby, zmenšením četnosti výskytu
poruch, především údržbou koridorů kolem přenosových vedení a zrychlením lokalizace a
oprav poruch. Právě ke druhém jmenovanému způsobu lze využít možností automatizace
distribučních stanic a dálkového ovládání. Automatizace má smysl pouze u stanic, ve kterých
dochází k rozdělování energie, a plní tedy i funkce spínacích stanic. Takováto automatizovaná
stanice má pak v distribuční síti velký význam, jelikož díky ochranám je schopna rozpoznat a
odstavit úsek s poruchou a současně velice rychle informuje dispečerské stanoviště o
problému, který vznikl. V Kladrubech je malá distribuční stanice ve které se spojují tři vedení
vn, nejedná se tedy o koncovou distribuční stanici a s její pomocí je možno měnit topologii
sítě. Řídící systém se volí podle velikosti stanice. Pro Kladruby je vhodný telekomunikační
modul 6MD202 se systémem SICAM miniRTU. Ten je navržen a optimalizován pro malé
množství informací s možností připojení tří procesorů, z nichž na každý se v praxi zapojují
maximálně dvě ochrany a je tak vhodný pro stanice s maximálním počtem šesti odboček.
Jednotlivé vývody v Kladrubech budou osazeny multifunkčními moduly ochran, které
kombinují ochranné funkce s ovládacími. Vzhledem k požadovaným funkcím jsem zvolil
zařízení od firmy Siemens 7SJ62. Tyto moduly v sobe kombinují nadproudovou, zkratovou a
zemní ochranu, automatiku opětovného zapínání i lokátor poruch. Pro možnost místního
ovládání jsou vybaveny displejem s možností zobrazovat text, navigačními klávesami a
vstupním datovým polem. Ochrany komunikují s řídícím systémem pomocí normalizovaného
protokolu IEC 60870-5-103. Neméně důležitou součástí automatizace je zajištění přenosu
hlášení mezi stanicí a dispečinkem. Podle důležitosti stanice a možností v dané oblasti je
potřeba zvolit typ komunikační cesty. V Kladrubech je nejvhodnější využít možnosti GSM
sítě a pro přenos dat využít služby GPRS. Stanice tak bude schopna komunikovat kdykoliv,
jelikož se jedná o nepřetržité spojení, ale zároveň zůstanou zachovány nízké provozní náklady
jelikož služba je účtována za objem přenesených data ten je velmi malý. Telekomunikační
modul je však vybaven pouze modemem pro komunikaci pomocí protokolu IEC 60870-5103, zatímco připojení pomocí GPRS využívá protokol TCP/IP, je tedy nutné před něj ještě
předřadit konvertor protokolu. Silové vybavení odboček je dáno způsobem provedení, jelikož
se jedná o již existující stanici je z hlediska nákladů na zařízení vhodné zachovat model
kobkové rozvodny. Veškeré zařízení musí být dimenzováno na maximální zkratový proud
v tomto místě. Modernizace a automatizace distribučních stanic, vzhledem k jejich umístění
v elektrizační soustavě, má strategický význam pro dodávku elektrické energie. Podle mého
názoru je vhodné vybavovat tyto stanice moderními přístroji a řídícími systémy, které zvýší
spolehlivost dodávky elektrické energie a sníží náklady na celkovou cenu elektrické energie.
24
Návrh řídicí jednotky testovacího stroje na bázi FPGA a CPU - část CPU
Jiří Janáček - ES 5
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. – KAE
Podíl elektronických komponent na výrobních nákladech automobilů nezadržitelně
stoupá s rostoucími nároky na hospodárnost a ekologii provozu se současně se stupňujícími
požadavky na bezpečnost a pohodlí uživatelů. Zmíněné elektronické komponenty lze podle
funkce v automobilu rozdělit na senzory, akční členy, elektronické řídící jednotky (ECU –
Electonic Control Unit) a nově i členy zajišťující telematické a multimediální služby.
Prezentovaná práce popisuje procesorovou část prototypu testeru operačních systémů ECU.
Tester ECU tvoří zřetězená struktura mikrokontroléru (MCU - MicroController Unit)
obsahující integrovaný CAN (Controller Area Network) řadič s testovacím jádrem
realizovaném na platformě FPGA (Field Programmable Gate Array), pokračující
mikrokontrolérem s integrovaným USB (Universal Seriál Bus) řadičem a zakončená
hostitelem (HOST) ve formě programu běžícího na PC. Mikrokontrolér, který filtruje zprávy
vysílané testovanými ECU na CAN sběrnici, posílá v definovaném formátu upravené zprávy
do FPGA, jež všechny takto přijaté zprávy odesílá přes mikrokontrolér tvořící USB most do
HOSTu pracujícího v tomto případě v režimu ukládání dat. Testovací jádro FPGA dále může
zmíněné zprávy uchovávat pro vlastní analýzu. CAN sběrnice však není jediným zdrojem
informací pro FPGA pole, resp. pro celý tester. FPGA se připojuje přímo na zvolené signály
testovaných ECU, nejčastěji jsou to externí přerušení a RESET signály, na kterých jednak
registruje hodnoty vypovídající o aktuálním stavu testované ECU a na které muže také
zapisovat, a tím stavy ECU ovlivňovat. Design softwarového procesoru NIOS II
realizovaného v poli FPGA a jeho programové vybavení popisuje paralelně vypracovaná
práce pana Jana Strnada.
Vzhledem k použití platformy FPGA se nabízí možnost využití IP (Intellectual
Property) jádra implementujícího funkce MCU. Proti tomuto řešení hovoří několik
argumentů, a to pořizovací cena, (ne)možnost snadného rozšíření schopností testeru a
předpoklad testování ECU v podmínkách ekvivalentních reálnému provozu. Z těchto důvodů
jsou pro konkrétní řešení procesorových částí zvoleny MCU firmy Freescale (část firmy
Motorola). V automobilovém průmyslu hojně nasazovaný MCU typu MC9S12XDP512
umožňuje např. snadné rozšíření o komunikaci po LIN (Local Interconnect Network) sběrnici
nebo dále využití integrovaného koprocesoru XGATE, výkonné obdoby kanálu DMA
schopné vykonávat instrukce nezávisle (paralelně) na vnitřním CPU (Central Processing
Unit). Funkci USB mostu vykonává MCU typu MC9S12UF32 schopný pracovat s USB
sběrnici v režimu High Speed zařízení. Pro pokračování projektu s cílem přeměny prototypu
testeru do podoby finálního komerčně používaného produktu nabízí zmíněný MCU variantu
autonomního testeru bez připojeného HOSTu. V tom případě nahrávání, resp. ukládání
konfigurací a výsledků může probíhat z/do paměťových karet obsluhovaných USB mostem.
Zkoušení funkcí navrženého prototypu testeru probíhalo bez připojení k testované ECU,
přesto mohlo být uskutečněno ověření funkčnosti vstupních bran testeru. MCU s
integrovaným CAN řadičem pracoval v loop mode, kdy si v pravidelných intervalech sám
přes vnitřní registry „zasílal“ CAN zprávu. Signálové vstupy a výstupy (přerušení, RESETy)
testovacího jádra byly prověřeny simulací (testbench) s výsledky ve formě časových průběhů.
Blok HOST během zkoušení pouze ukládal výsledky testů, při zmíněné konfiguraci testeru se
tedy jednalo o ukládání CAN zpráv s přiděleným časovým znaménkem. Naměřené časy mezi
konkrétními událostmi (zprávami) patří mezi základní vypovídající hodnoty testu.
Jak bylo uvedeno ve třetím odstavci, předpokládá se další rozšiřování možností testeru,
a to jak ve firmwaru MCU, tak zejména na straně HOSTu. Od software běžícího na PC se
očekává nejen vizualizace uložených dat, ale také možnost konfigurace bloků testeru.
25
Metody určování tepelné vodivosti
Josef Kreuz - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. – KEE
Práce se zabývá přenosem tepla vedením a následným určením součinitele tepelné
vodivosti. Prvním způsobem je sdílení tepla vedením – kondukcí. Vyznačuje se tím, že je
vázáno na pevnou látku, takže se vedení tepla může dít jen mezi bezprostředně sousedícími
částicemi hmoty. Podmínkou je určitý rozdíl teplot. Teplo je vedeno z vrstvy o vyšší teplotě k
vrstvě s teplotou nižší, což odpovídá fyzikální teorii, kde částice tělesa s vyšší energií
předávají některou její kvalitu částicím s energií menší. Rychlost přemístění tepla touto cestou
udává součinitel tepelné vodivosti:
λ [ W m-1 K-1 ]
Tento součinitel tedy určuje množství tepla prošlé materiálem o jednotkové tloušťce při
rozdílu teplot rovnajícímu se 1 K. V práci jsou vyjmenovány zákony a odvozeny rovnice pro
přenos tepla vedením. Dále je zde popsáno stacionární a nestacionární vedení tepla. Jsou zde
odvozeny rovnice pro výpočet součinitele tepelné vodivosti pro rovnou stěnu, pro rovnou
stěnu složenou z více vrstev, pro stěnu dutého válce nekonečné délky a pro kulovou stěnu.
Další kapitola se zabývá ztrátami a použitím stavebních, konstrukčních a izolačních materiálů.
Konstrukční materiály jsou rozděleny na kovové konstrukční a nekovové konstrukční
materiály. Kovové konstrukční materiály zahrnují žárovzdornost za vysokých teplot.
Nekovové konstrukční materiály zahrnují žárovzdorné keramické materiály, žárovzdorná
lehčená staviva, žárovzdorné keramické materiály vláknité. Izolační materiály popisují
výhody a nevýhody jejich použití pro praxi. Následují druhy zateplovacích systémů, které
rozdělujeme na vnitřní a vnější zateplovací systémy. Přínosy zateplení. Pro určení součinitele
tepelné vodivosti byly použity tyto materiály Expandovaný perlit EP – 150 AGRO. Pro
vlastní měření bylo použito zařízení pro měření součinitele tepelné vodivosti, které se stává ze
tří částí: zdroj tepla, tepelně izolační část, ochrana proti popálení. Z popisu měření je poznat,
že jsme měření prováděli pro ustálený stav, tzn. že výpočet součinitele tepelné vodivosti byl
vypočten po ustálení jak teplot na zdroji tepla, tak teplot za tepelně izolační částí. V práci jsou
popsány vlivy ovlivňující součinitel tepelné vodivosti: vliv pórovitosti, vliv teploty a vliv
vlhkosti. Dále je zde popis cejchování termočlánků, který zachycuje termoelektrický jev a
vlastní cejchování termočlánků. Součástí práce je také rozmístění a označení termočlánků na
zdroji tepla a za tepelnou izolací. Odstavec naměřené a vypočtené hodnoty zahrnuje vlastní
měření a parametry udané výrobcem. Celá práce je také nasimulována pomocí programu
RILLFEM. Do tohoto programu se namaluje zařízení pro měření součinitele tepelné
vodivosti, zadají se získané a známé parametry použitých materiálů a provede se výpočet.
Výsledkem je barevný průběh teplot na zdroji tepla a na tepelně izolační částí. Při měření byly
získávány hodnoty teplot pomocí záznamového zařízení po časovém kroku 10 s. V závěru
jsou zachyceny přínosy zateplení, porovnání vypočtených a známých hodnot součinitele
tepelné vodivosti. Přílohy zahrnují popis termočlánků, celkový soupis hodnot získaných při
měření, grafické průběhy teplot v závislosti na čase a grafické znázornění teplot při simulaci v
programu RILLFEM.
Výpočet součinitele tepelné vodivosti se provede podle vzorce:
d
P ⋅ ln 2
d1
λ=
2π ⋅ (t 2 − t1 )
kde
d1 je průměr zdroje tepla, d2 je průměr izolační části,
t1 je teplota na zdroji tepla, t2 je teplota za izolační částí
26
Latch vstupních dat LCD panelu
Tomáš Skokan - +AEL 3
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
Úkolem mé práce bylo vytvořit měřící systém schopný výrazně zefektivnit kontrolu
funkčnosti hlavní řídící desky, tvořící jádro televizorů Panasonic s LCD panelem, sledováním
obrazových dat, které tyto desky generují a kterými přímo ovládají panel.
Jednalo se tedy o kontrolu výstupních obrazových dat, která jsou přivedena již přímo do
budiče LCD panelu, který se v současné době v plzeňské pobočce firmy Panasonic nevyrábí.
Zde je nutno zmínit, že v současné době existují dva základní typy řídících desek televizorů
Panasonic s LCD panelem, u prvního typu řídící deska zastává funkci multiplexoru vstupních
a výstupních rozhraní televizoru (přepínání TUNER, SCARTy, CVBS, S-VIDEO, HDMI,
DVB-T – pokud to daný model umožňuje), digitálního zpracování signálu a převodu do
formátu „paketů“ LVDS, u druhého typu pak pouze digitální zpracování signálu převedeného
a multiplexovaného z analogových rozhraní jinou deskou a taktéž převodu do „paketů“
LVDS. Z hlediska testování LVDS však můžeme na zástupce obou řad nahlížet jako na
identické desky. V závislosti na použitém LCD panelu se LVDS „pakety“ odlišují v obsahu
obrazových dat, jednotlivé bity barev (ve smyslu jejich významové váhy) jsou různě
„zpřeházeny“, můžeme takto rozlišit dva typy formátu dat: JEIDA-DATA a VESA-DATA,
někdy označované jako NORMAL-DATA.
V současné době se desky během funkčního testu kontrolovaly tak, že na vstup desek se
přivedl testovací signál z rozvodu RF signálu, v případě testování cesty signálu z tuneru,
případně připojením potřebného analogového nebo digitálního signálu z generátoru na dané
AV rozhraní a kontrolou obrazu na připojeném LCD panelu, kterou provádí operátor.
Výsledek kontroly je tak závislý na posouzení obrazu obsluhou funkčního testu, což přináší
značné zpoždění testu a vnáší chybu danou subjektivním hodnocením kvality obrazu.
V mé práci je podrobně popsáno rozhraní LVDS a ukázána možnost jak obrazová data
kontrolovat použitím FPGA obvodu Cyclone™ II od firmy ALTERA®, který se stará o
deserializaci dat LVDS rozhraní, uložení obrazových dat celé jedné řádky do paměti
vytvořené v FPGA a o komunikaci s USB modulem M-FT2232 osazeným FTDI obvodem 3.
generace FT2232C, kterým je prováděna obousměrná komunikace s PC. Počítač určuje číslo
řádku obrazu jenž bude uložen do paměti v FPGA, po zachycení dat je tato skutečnost
počítači signalizována a ten data přijme, uloží a případně přímo vyhodnotí zda se nacházejí ve
stanovené toleranci. V práci je navrhnut a podrobněji popsán jeden z možných protokolů,
kterým komunikuje počítač s FPGA prostřednictvím USB modulu.
Součástí dokumentace je také schéma a návrh plošného spoje, kde v místech vstupu
LVDS je použito zásuvkové pinové lišty, kam se vkládají moduly s potřebným konektorem
(shodným s konektorem použitým na budiči LCD panelu nebo s konektorem umožňující
připojení kabelu na druhé straně zakončeného v objímkách jehlového pole). Toto zabezpečí,
aby případné budoucí modifikace mohly být provedeny s minimálními náklady. Na desce je
osazen FPGA obvod Cyclone™ II EP2C5T144C6N, paměť s jeho nastavením EPCS1SI8N,
konektory pro jejich konfiguraci a tři napájecí zdroje: 1,25 V; 2,5 V a 3,3 V. První slouží pro
napájení jádra FPGA obvodu, druhý pak pro napájení I/O obvodů Banku č. 3, kde se využívá
LVDS v souladu s doporučením výrobce FPGA a třetí zdroj je určen pro napájení ostatních
I/O obvodů FPGA, napájení paměti a I/O obvodů v FTDI chipu. Dále je na desce umístěna
patice pro USB modul.
Dokumentace obsahuje také schéma a návrh PCB modulu, který jsem použil pro
ověření a odměření LVDS výstupu desky z TV.
V závěru mé práce jsou nastíněny možné funkce ovládacího SW, který však již nebyl
z časových důvodů vytvořen. V příloze je pak uveden výpis programů ve VHDL.
27
Řízení mikro-sítí napájených OZE
Michal Soukup - EE 5
lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
Práce je zaměřena na mikro-sítě napájené obnovitelnými zdroji energie. Jedná se o
spojení několika menších zdrojů sloužících k napájení například několika obytných domů,
školy, průmyslového závodu atd. Celkový výkon zdrojů je srovnatelný s instalovanou
spotřebou v mikro-síti. Existují dva hlavní typy těchto systémů, systémy připojené k síti
a systémy ostrovní, které se využívají v oblastech, kde není k dispozici připojení
k elektrizační soustavě.
Základními prvky mikro-sítě jsou zdroje elektrické energie, prostředky pro akumulaci
energie a spotřebiče. Podle typu jsou poté připojeny do střídavé nebo stejnosměrné části sítě.
Mezi těmito částmi zprostředkovává výměnu energie měnič.
Důležitým prvkem mikro-sítě je regulátor, který celý systém řídí, zajišťuje jeho
optimální chod. Řízení se provádí na straně zdrojů i spotřebičů. Je zde snaha o maximální
využití zdrojů, provádí se připnutí či odepnutí prvků s ohledem na množství energie
v akumulátoru.
Systém například měří rychlost větru a pokud je ve vhodném intervalu, připojí větrnou
elektrárnu. Při dostatečné výrobě v mikro-síti se energie akumuluje, popřípadě se dodává do
sítě za stanovené výkupní ceny. Naopak při nedostatečné výrobě zdrojů a po využití veškeré
naakumulované energie regulátor zapne špičkový zdroj, či se připojí k elektrické síti, odkud si
energii odebere.
Mezi nejpoužívanější zdroje v mikro-sítích patří fotovoltaický panel, který přeměňuje
sluneční záření přímo na stejnosměrnou elektrickou energii, dále potom větrná elektrárna,
která využívá proudění vzduchu. Její výkon je úměrný třetí mocnině rychlosti větru.
Nejčastějším prostředkem pro přeměnu z mechanické na elektrickou energii se zde používá
asynchronní generátor. Pro využití energie vody se v mikro-sítích využívají vodní
mikroturbíny o výkonu několik kW, které jsou schopny zpracovat malé spády i průtoky
a mohou fungovat i v ostrovním provozu.
Nevýhodou obnovitelných zdrojů energie je jejich závislost na přírodních podmínkách,
které se mění, a to hlavně dopadající sluneční záření a rychlost větru. Výkon dodaný těmito
zdroji tedy není stálý. Proto v ostrovních systémech musíme použít vhodný prostředek pro
akumulaci energie, abychom mohli kdykoli zaručit požadovaný výkon. Nejčastěji se jedná
o olověnou akumulátorovou baterii, ale jsou k dispozici i jiné akumulátory, např.
setrvačníkový, supravodivý indukční nebo uskladnění energie ve vodíku. Tyto ostatní
způsoby nejsou ale zatím příliš rozšířeny. Mikro-sítě připojené k elektrizační soustavě mají
k dispozici ideální akumulátor, při nedostatku energie ze sítě odebírají, naopak při přebytku
energie ji mohou do sítě prodat.
Hlavním úkolem práce je vytvoření matematického modelu ostrovní mikro-sítě
s fotovoltaickým panelem a olověným akumulátorem. Pro oba prvky byly sestaveny rovnice
popisující jejich chování, které vychází z měření v odborné literatuře a z údajů poskytnutých
výrobci. Oba modely byly aplikovány v softwaru Swing a poté ověřeny měřením. Model
fotovoltaických článků byl ověřen na solárním systému, který je instalován na budově Fakulty
elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni.
Dalším modelovaným prvkem je regulátor, který řídí nabíjení baterie a poté vypočítává
optimální napětí, na které je fotovoltaický panel připojen. Toto napětí se nachází v koleni V-A
charakteristiky článků. V tomto bodě dosahuje panel maximální účinnosti.
Model může sloužit pro návrh obdobného systému, pro předpověď vyrobené energie
a pro demonstraci funkce mikro-sítě při výuce. V praxi by mohl být využit i model výpočtu
optimálního napětí fotovoltaického panelu v závislosti na osvitu a okolní teplotě.
28
Miloš Spálenka - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
S narůstajícím počtem obyvatel na naší planetě roste i energetická poptávka. Přijatelné
řešení rostoucích energetických nároků se nachází v mnohem větší míře využívání
obnovitelných zdrojů energie a samozřejmě také v šetrném hospodaření s energií. Uvážíme-li,
že v domácnosti se spotřebuje z celkového množství energie přibližně 60–75 % na vytápění
a přípravu teplé vody, pak využitím tepelných čerpadel, které tuto energii přetransformují
z okolí obytných domů do jejich vytápěcích systémů, lze dosáhnout významných
energetických úspor. Vedle důvodů ekonomických, kdy dochází k výraznému snížení
provozních nákladů, jsou zde i důvody ekologické. Použitím tepelného čerpadla se snižuje
spotřeba primárních paliv (neobnovitelných zdrojů energie). Výsledkem je snížení tvorby
škodlivých emisí.
Tepelné čerpadlo dokáže zpracovat jinak nevyužitelné, tzv. nízkopotenciální teplo
z okolního prostředí a převést ho na teplo vhodné např. pro vytápění a ohřev užitkové vody.
Tato transformace nízkopotenciálního tepla na vyšší teplotní úroveň je možná jen za cenu jiné
ušlechtilé (hnací) energie, která je nejčastěji reprezentována energií elektrickou.
Tepelné čerpadlo odvádí v prvním výměníku, tzv. výparníku, teplo z prostředí s nižší
teplotou, např. z okolního vzduchu, ze země nebo z vody, a tím ho ochlazuje. Ve druhém
výměníku, tzv. kondenzátoru, jej pomocí ušlechtilé energie předává do prostředí s vyšší
teplotou, např. do topné vody a tím toto prostředí ohřívá. Teplo předávané z výparníku do
kondenzátoru se přitom zvětšuje o teplo, na které se v kompresoru mění hnací energie.
Tepelná čerpadla se v převážné většině případů používají na vytápění a ohřev teplé
vody. Předpokladem pro použití je možnost napojení na nízkoteplotní vytápěcí systém.
Tepelná čerpadla je možné navrhovat jako monovalentní zdroj tepelné energie (jediný zdroj),
nebo jako bivalentní zdroj. Při bivalentním zapojení pokrývá tepelné čerpadlo pouze část
tepelné ztráty objektu a zbytek je v případě potřeby pokryt jiným zdrojem tepla. Tím klesnou
pořizovací náklady jak na tepelné čerpadlo, tak i na jeho vlastní provoz.
Výběr vhodného druhu tepelného čerpadla souvisí s výběrem optimálního zdroje
nízkopotenciálního tepla a s ním spojených nákladů na jeho využití. Zdroji
nízkopotenciálního tepla mohou být jak zdroje přírodní (vzduch, podzemní či povrchová
voda, geotermální prameny, země, solární energie), tak druhotné zdroje (odpadové tepelné
toky různých technologických i netechnologických procesů). Volba primárního zdroje tepla
má zásadní vliv na konstrukci a vlastnosti tepelného čerpadla. Obvykle však bývá volba
zdroje omezena místními podmínkami.
Důležitým faktorem při provozu jakékoliv budovy je výše nákladů na její provoz. Tyto
náklady jsou ovlivněny spotřebou a příslušnými sazbami za energii. Úspory nákladů nám však
přinese až investice do úsporných opatření. Je důležité, aby tato opatření byla podložena
technickou a ekonomickou analýzou. Jedině tak může být prokázána jejich smysluplnost.
Energetickou náročnost objektu můžeme příznivě ovlivnit, respektive snížit buď přímo,
snižováním energetických nároků (potřebou energie), nebo nepřímo, snižováním jeho
energetické náročnosti (spotřeby energie) např. použitím vhodného systému k vytápění.
V druhé části diplomové práce se zabývám ekonomickou a energetickou náročností použití
tepelného čerpadla k vytápění rodinného domu. Je zde ukázáno, jak zdroj tepla (tepelné
čerpadlo, elektrokotel a kotel na zemní plyn) u hodnoceného objektu ovlivňuje výši ročních
nákladů za energii. V závěru práce se zabývám vhodným použitím tepelného čerpadla,
požadavky na vytápěcí systém a základními předpoklady pro volbu vhodného typu tepelného
čerpadla k vytápění.
29
Návrh řídící jednotky testovacího stroje na bázi FPGA a CPU - část FPGA
Jan Strnad - SE 5
lektor: Ing. Martin Poupa, Ph.D. - KAE
V dnešní době se v automobilech stále častěji uplatňuje elektronika. Počítačem se neřídí
jen chod a startování motoru, ale i brzdné a ochranné systémy či ovládání oken a zrcátek.
Protože na správné funkci těchto systémů a jejich programů mnohdy závisí bezpečnost
cestujících ve voze, je třeba jejich běh řádně testovat. Naše práce se zabývá návrhem testeru
těchto řídících jednotek. Tester se skládá ze tří hlavních částí je tvořen mikropočítačem, který
zajišťuje hlavně obousměrnou komunikaci mezi testerem a řídícím počítačem, na kterém běží
program pro výběr testů a zpracování jejich výsledků, obvodem FPGA, který slouží pro řízení
testů a zajišťuje analýzu běhu testovaného systému, třetí část je mikropočítač pracující jako
analyzátor požitých sběrnicí. Projekt byl rozdělen na dvě části, mým úkolem bylo navrhnout
obsah FPGA obvodu, zatímco kolega se zabýval programováním mikropočítačů.
Tester monitoruje komunikace na sběrnicích a sleduje čas, který uplyne mezi odeslání
zprávy a přijmutí odpovědi na ní, také je důležité zaznamenávat časy příchodu zpráv, které se
starají o managament sběrnice a které mají normou pevně stanovené intervaly. Další funkcí
testeru je zaznamenávat změny důležitých signálů testovaného systému a časy, ve kterých
k nim došlo, popřípadě tyto signály také generovat. Mezi tyto signály patří reset, vnější
přerušení, případně signály řídící chod akčních členů. Poslední sledovanou událostí je přijetí
značek, které jsou pro účely testování součástí programu sledovaného systému, podle těchto
značek se pozná, ve které části programu se systém zrovna nachází. Pomocí těchto značek lze
odhalit jak zacyklení programu, tak nevhodnou nebo pomalou reakci na vnější podnět.
Výslednou analýzu systému dostaneme seřazením zaznamenaných časů všech sledovaných
událostí, popřípadě jejich grafickým znázorněním.
Jako jádro testeru jsem použil obvod CYCLONE od firmy ALTERA, protože splňoval
požadavky na rychlost a podporuje funkce, které byly pro řešení práce použity. Do tohoto
obvodu jsem implementoval softwarový procesor NIOS II, jehož komponenty byly sestaveny
pro potřeby testeru. Ve výsledném designu byl procesor doplněn o logické bloky popsané
jazykem VHDL. Softwarový procesor slouží hlavně pro řízení a částečnou analýzu testů a
komunikaci s ostatními částmi testeru, logické bloky pracují jako rozhraní mezi softwarovým
procesorem a ostatními částmi testeru, signálový analyzátor a analyzátor běhu kódu.
Naše práce si nekladla za cíl navržení funkčního výrobku, který by byl použitelný
v průmyslu, ale pouze prozkoumání možností využití navrženého řešení. Tester v současné
podobě dokáže zaznamenávat události na CAN sběrnici, čtyřkanálovým signálovém
analyzátoru a na analyzátoru průběhu kódu. CAN analyzátor podporuje specifikaci CAN 2.0B
a zvládne analyzovat plnou rychlost sběrnice 1 Mbit/s. Spojení s řídícím počítačem je
provedeno přes USB. Časové rozlišení jednotlivých událostí je 1 mikrosekunda a tester může
pracovat jednu hodinu.
Pro finální výrobek se plánuje použitý obvod nahradit obvodem LFXP od firmy
LATTICE, který je vyroben tak, aby pro svoji práci nevyžadoval externí paměť, ze které se
nahrává obsah obvodu. Dále se plánuje použití sběrnici pro komunikaci mezi více testery, aby
bylo možno testovat rozsáhlejší systémy. Tato sběrnice se bude skládat z UARTu vodiče pro
přenášení hodinového signálu a několika řídících vodičů.
K funkčnímu výrobku bude také potřeba vyvinout program pro řídící počítač, ten by měl
získané údaje nejen ukládat, ale také třídit, případně graficky znázornit. Kromě toho by měl
nabídnout uživatelské menu pro nastavení funkcí testeru, jako je výběr druhu testu, jeho
konfiguraci a spouštění. Protože se očekává, že USB bude jediným komunikační kanálem
s testerem, bude nutné přidat i funkce pro změnu firmware testeru.
30
Možnosti energetického využití paliv vyrobených z biomasy, tříděných
komunálních a průmyslových odpadů
Veronika Vernerová - KE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Paliva vyrobená z biomasy a odpadů lze využívat buď samostatně nebo je možné jejich
uplatnění společně s neobnovitelnými zdroji, mezi které řadíme například i hnědé či černé
uhlí. Způsoby využití biomasy lze rozdělit na 3 základní konverze – termochemickou (suché
procesy), biochemickou (mokré procesy) a fyzikálně-chemickou. V praxi převládá ze suchých
procesů spalování a zplyňování biomasy a z mokrých procesů výroba bioplynu. Zvláštním
způsobem zpracování je zplyňování. O zplyňování můžeme hovořit jako o velmi ekologickém
způsobu zpracování, při němž nevznikají některé těžko odstranitelné sloučeniny, které jinak
vstupují do ovzduší při spalování.
Jednou z mála společností, kde se princip zplyňování využívá, je Sokolovská uhelná
(SU a.s.). Stávající technologie fungující na základě paroplynového cyklu je schopná
zpracovat přibližně 1 500 tis. tun uhlí za rok. Předpokladem pro zpracování paliv v dané
technologii společnosti (při dostavbě některých dopravních a skladovacích elementů) je
nahrazení 10 % podílu uhlí alternativním palivem a jeho následné spoluzplynění s uhlím
v generátoru. Uhlí však musí být nahrazeno palivem z biomasy či odpadů v zaručené kvalitě,
která odpovídá parametrům zplyňovacího procesu.
Po energetické stránce nic nebrání spalování komunálních či průmyslových odpadů
resp. biomasy. Díky lokalitě, v níž se SU a.s. nachází, je možnost pěstování energetických
rostlin značně omezená. Těžko zúrodnitelné vytěžené plochy, které jsou v okolí, nejsou
ideální oblastí pro pěstování rostlin či dřevin. Toto by šlo pouze po rekultivaci půdy se
značnými finančními náklady. S přihlédnutím na uvedené faktory se kombinát hodlá zaměřit
především na zpracování energeticky využitelných (již předpřipravených) odpadů.
V počáteční fázi zavádění nové technologie se bude zpracovávat tříděný komunální odpad,
odpadní pryž, odpady z lihovarnické výroby, čistírenské kaly a ostatní pevné odpady.
V budoucnu se však počítá se zpracováváním co nejširšího spektra vhodných paliv. Do
stávající technologie SU a.s. budou paliva přicházet ve formě pelet. Dostatečné množství pelet
bude zajištěno případným dovozem ze zahraničí dle platných právních předpisů.
Pelety vznikají jako výsledek jednoho z aglomeračních procesů. Pod pojmem
aglomerace se rozumí spojování jedné nebo více látek v látku novou se změněnými
vlastnostmi, čehož se dosahuje dodáním mechanické, termické či chemické energie.
Aglomerační procesy můžeme rozdělit do 4 skupin – peletování, briketování, sintrování a
aglomerace v kalech. Pro peletování je charakteristické nabalování částic na zárodek budoucí
pelety. Částice se shlukují a navrstvují až vznikne požadovaná peleta. Již vzniklé pelety lze
slučovat do větších rozměrů. Zárodky pelet vznikají buď přímo z peletizovaného materiálu
nebo je možné dodávat je částečnou recirkulací menších pelet. Jako pojivový mechanismus
převážně slouží kapilární síla, přičemž jemnost a vlhkost aglomerovaných materiálů hraje
rozhodující roli. Pelety spojené pouze kapilární silou (nazývané zelené pelety) mají velmi
malou pevnost a proto je nezbytné jejich následné zpevnění.
Konečným efektem spoluzplynění odpadů a uhlí bude produkce energoplynu sloužícího
v dnes již provozované technologii paroplynového cyklu k výrobě elektrické energie a tepla
(technologické páry) se zvýhodněním, které je dáno podílem biomasy ve zpracovávaném
palivu. Jedná se o lepší cenu elektřiny (možnosti využití zelených bonusů) a především nižší
potřeba povolenek pro emise kysličníku uhličitého – jejich úsporou a následným prodáním lze
získat další finanční prostředky. Nezanedbatelnou výhodou je též úspora kvalitní uhelné
vsázky.
31
Využití skládkového plynu na výrobu elektrické energie
Pavel Veselý - EE 5
lektor: doc. Ing. Emil Dvorský, CSc. - KEE
Pojmem skládkový plyn (označován také LFG z anglického Landfill Gas) je
označován plyn vznikající samovolně ve skládkách. Tento plyn obsahuje stovky různých
plynných složek. Pro LFG je typický velký obsah metanu (35 % až 60 %) a oxidu uhličitého
(35 % až 55 %). Obsahuje také malé množství jiných příměsí – dusík, kyslík, čpavek, sulfidy
(např. sirovodík), vodík, oxid uhelnatý a nemetanické organické sloučeniny (NMOCs), jako
např. trichlorethylen, vinylchlorid a benzen.
Skládkový plyn vzniká na skládkách, kde dochází k rozkladným procesům za vzniku
tuhých, kapalných a plynných produktů v důsledku biochemických reakcí způsobovaných
převážně mikroorganismy. Za pomoci kyslíku, resp. i bez pomoci kyslíku probíhají ve skládce
aerobní a anaerobní procesy. Anaerobní rozklad (vyhnívaní), je proces využívaný na produkci
metanu z pevného a kapalného organického odpadu.
Kvalita a výhřevnost skládkových plynů se mění podle jednotlivých skládek, přičemž
za nejdůležitější vlastnost je možné považovat výhřevnost. Hodnoty výhřevnosti se pohybují
od 5,5 MJ.m-3 až po 23 MJ.m-3. Výhřevnost skládkového plynu je tedy úměrná obsahu
metanu, při obsahu 52 % činí asi 17,5 MJ/m3, při 70 % cca 23 MJ/m3.
Skládkové plyny obsahují převážné množství metanu a oxidu uhličitého. Skládkové
plyny mohou také obsahovat přes 500 různých příměsí, které normálně představují zhruba 1
procento obsahu. Tento plyn je nutné dále využit nebo ekologicky zneškodnit, neboť jeho
jednotlivé složky mohou představovat zátěž pro životní prostředí. Metan a oxid uhličitý jsou
plyny, které jsou hlavní příčinou skleníkového efektu.
1) Způsob likvidace skládkového plynu je pomocí biofiltrů. Biofiltrace je čištění
vzduchu založené na využití mikroorganismů k rozkladu nebo biotransformaci organických
polutantů nebo zápachových látek. Mikroorganismy (nižší houby, bakterie, kvasinky)
využívají organické látky většinou jako zdroj energie pro svůj růst a rozmnožování. Běžně se
vyskytují v půdě nebo v rozkládajícím se rostlinném materiálu. Biofiltry jsou zařízení, ve
kterých jsou regulované podmínky a kde dochází ke styku organických polutantů nebo
zápachových látek s mikroorganismy, které je mohou využívat jako zdroj energie.
2) Způsob likvidace skládkového plynu je spálení na vysokoteplotních pochodních.
3) Způsob je využit skládkový plynu v kogeneračních jednotkách.
Kogenerací je označována společná výroba tepla a elektrické energie. Z hlediska využití
skládkového plynu nás nejvíce zajímá právě plynová kogenerace. Práce je zaměřena na
ukázání využitelnosti v praxi, proto je uveden konkrétní případ pro skládku Chotíkov. Kde
bude použita kogenerační jednotka se spalovacím motorem. Kogenerační jednotka se
spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru pohánějícího alternátor,
vyrábějícího elektrickou energii. Dále je tvořena výměníky, které využívají odpadního tepla z
motoru. Pro využití skládkového plynu na skládce Chotíkov byly osloveny dvě firmy
DAGGER a TEDOM. Na základě jejich cenových nabídek byl vytvořen ideální model pro
skládku Chotikov.
Obecně lze říci, že provoz kogenerační jednotky je nejefektivnější, pokud se využívají
obě formy energie – tepelná i elektrická, což lze i ekonomicky dokázat. Příklad využití
kogeneračních jednotek na skládce Chotíkov, ale ukázal, že je nutné brát zřetel ke konkrétní
situaci v dané lokalitě. Skládka Chotíkov je vzdálena od nejbližší vesnice Kuští 1,5 km a od
vesnice Chotíkov 2,0 km. Ekonomický rozbor ukázal, že budování teplovodu do těchto vesnic
by bylo nejen nákladné, ale i neefektivní.
Ideálním řešením pro skládku Chotíkov je z hlediska ekologického i ekonomického
stavba kogenerační jednotky od firmy DAGGER pro výrobu elektrické energie
32
Michal Zach - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Energii, kterou příroda tvořila miliony let, se nyní člověk snaží spotřebovat během
několika staletí. Některé prameny uvádějí, že se během jediného roku na Zemi spotřebuje
energie, kterou příroda vytvářela dva miliony let. Až 90 % spotřebované energie je vyrobeno
spalováním fosilních paliv (uhlí, zemní plyn, ropa). Průměrná fosilní či jaderná elektrárna
přitom vyrobí z primární energie asi z jedné třetiny elektřinu a dvě třetiny tepla z paliva
odcházejí ve formě termoemisí do okolí. To s sebou přináší dnes již dobře známé a obávané
důsledky pro život - globální oteplování, na kterém se nejvíce podílejí emise CO2 a dalších
skleníkových plynů právě v důsledku spalování fosilních paliv.
V současnosti je velká snaha o využívání obnovitelných zdrojů. Jako obnovitelný zdroj
tepelné energie se dají považovat tepelná čerpadla. Nejedná se o klasické obnovitelné zdroje,
jelikož část cca 1/4 energie tomuto systému musíme dodávat. Tepelná čerpadla jsou však
zařízení, která jsou schopna odebírat nízkopotenciální teplo okolnímu prostředí a převádět ho
na vyšší teplotní hladinu. Toto teplo se využívá především na vytápění, na ohřev vody, na
sušení a podobně. V posledních letech se tepelná čerpadla nevyužívají jen v topných sezónách
jako zdroj tepla, ale i v letních jako součást klimatizačních systémů. U nás se tepelná čerpadla
(dále už jen TČ) začala používat v posledních letech a jejich počet se odhaduje na několik
tisíc, kdežto v západních zemích se jedná o běžný topný systém.
V mé diplomové práci jsem se pokusil dokázat, že systém vytápění pomocí tepelného
čerpadla je energeticky, ekologicky a ekonomicky výhodnější než klasické způsoby vytápění.
První část jsem věnoval vysvětlení principu, funkci a skladbě tepelných čerpadel, dále
jsem zde zpracoval jejich rozdělení a u jednotlivých typů jsem uvedl jejich výhody a
nevýhody.
V druhé části jsem zpracoval konkrétní projekt na vytápění rodinného domu tepelným
čerpadlem v obci Boží Dar v Krušných horách. Za použití programu na výpočet tepelných
ztrát PROTECH jsem určil tepelné ztráty rodinného domu. Na základě těchto výpočtů jsem
stanovil potřebný výkon TČ. Podle klimatických podmínek jsem jako nejvhodnější typ vybral
TČ „země – voda“, využívající nízkopotenciální teplo z hlubinných vrtů. V energetické a
ekonomické náročnosti jsem provedl srovnání vytápění tepelným čerpadlem s vytápění
pomocí elektrokotle a plynového kotle.
I přes relativně vysoké investiční náklady bych tepelné čerpadlo, na základě výsledků
z mé diplomové práce, hodnotil jako nejvýhodnější zdroj tepla pro vytápění a přípravu teplé
užitkové vody.
V souvislosti s očekávaným růstem cen energie a paliv u ostatních zdrojů vytápění, se
dá v budoucnu očekávat výrazný nárůst instalovaných tepelných čerpadel v ČR.
Tato diplomová práce může být využita v nejrůznějších informačních kampaních, které
přispívají k rozmachu tepelných čerpadel v České republice. Je určena nejen laikům, kteří
uvažují o stavbě či rekonstrukci rodinného domu, ale i pro odborníky, kteří budou stavbu či
rekonstrukci navrhovat.
33

sborník

Transkript

Podobné dokumenty